Difrakce zpětného rozptylu elektronů - Electron backscatter diffraction

Difrakční obrazec zpětného rozptylu elektronů[Citace je zapotřebí ]
Difrakční obrazec elektronového zpětného rozptylu monokrystalického křemíku, odebíraný při 20 kV zdrojem elektronů s emisními poli

Difrakce zpětného rozptylu elektronů (EBSD) je rastrovací elektronový mikroskop –Na základě mikrostruktury-krystalografické charakterizační technika běžně používaná při studiu krystalický nebo polykrystalický materiály.[1][2] Tato technika může poskytnout informace o struktuře,[3] orientace krystalu,[3] fáze,[3] nebo kmen[4] v materiálu. Tyto typy studií se tradičně provádějí pomocí Rentgenová difrakce (XRD), neutronová difrakce a / nebo elektronová difrakce v Transmisní elektronový mikroskop.

Geometrie

Pro měření EBSD se plochý / leštěný krystalický vzorek umístí do komory SEM ve vysoce nakloněném úhlu (~ 70 ° od horizontály) směrem k difrakční kameře, aby se zvýšil kontrast výsledného difrakčního vzoru elektronového zpětného rozptylu. The fosfor obrazovka je umístěna v komoře pro vzorek SEM v úhlu přibližně 90 ° k pólovému nástavci a je spojena s kompaktní čočkou, která zaostřuje obraz z fosforové obrazovky na CCD kameru. V této konfiguraci některé z elektronů, které vstupují do zpětného rozptylu vzorku a mohou uniknout. Když tyto elektrony opustí vzorek, mohou vystoupit na Braggův stav související s roztečí periodické soustavy atomový mříž roviny krystalické struktury a difrakce. Tyto rozptýlené elektrony mohou uniknout z materiálu a některé se srazí a rozruší fosfor, který je způsobí fluoreskují.

Uvnitř SEM je elektronový paprsek zaostřen na povrch krystalického vzorku. Elektrony vstupují do vzorku a některé mohou zpětně rozptýlit. Unikající elektrony mohou vystupovat blízko Braggova úhlu a difrakčně se tvořit Kikuchi kapely které odpovídají každé z mřížkových difrakčních krystalických rovin. Pokud je geometrie systému dobře popsána, je možné vztahovat pásy přítomné v difrakčním vzoru k podkladové krystalové fázi a orientaci materiálu v objemu elektronové interakce. Každé pásmo může být indexováno samostatně pomocí Millerovy indexy difrakční roviny, která ji formovala. U většiny materiálů jsou k popisu jedinečného řešení orientace krystalů (na základě jejich interplanárních úhlů) zapotřebí pouze tři pásy / roviny, které se protínají, a většina komerčních systémů používá k indexování vyhledávací tabulky s mezinárodními databázemi krystalů. Tato orientace krystalu spojuje orientaci každého vzorkovaného bodu s orientací referenčního krystalu.

Zatímco tento „geometrický“ popis související s kinematickým řešením (pomocí Braggovy podmínky) je velmi silný a užitečný pro orientaci a textura Analýza popisuje pouze geometrii krystalické mřížky a ignoruje mnoho fyzikálních procesů zapojených do difrakčního materiálu. Aby bylo možné adekvátně popsat jemnější rysy v rozptylovém vzoru elektronového paprsku (EBSP), je nutné použít mnoho dynamických modelů paprsků (např. Změna intenzit pásma v experimentálním vzoru neodpovídá kinematickému řešení souvisejícímu s strukturní faktor ).

Detektory EBSD

Experimentálně se EBSD provádí pomocí SEM vybaveného detektorem EBSD obsahujícím alespoň fosforovou obrazovku, kompaktní čočku a CCD kameru pro slabé osvětlení. Komerčně dostupné systémy EBSD se obvykle dodávají s jednou ze dvou různých CCD kamer: pro rychlé měření má CCD čip nativní rozlišení 640 × 480 pixelů; pro pomalejší a citlivější měření může rozlišení CCD čipu dosáhnout až 1600 × 1200 pixelů. Největší výhodou detektorů s vysokým rozlišením je jejich vyšší citlivost, a proto lze informace v každém difrakčním obrazci analyzovat podrobněji. Pro měření textury a orientace jsou difrakční vzory spojeny, aby se zmenšila jejich velikost a zkrátila doba výpočtu. Moderní systémy EBSD založené na CCD mohou indexovat vzory rychlostí až 1 800 vzorků za sekundu. To umožňuje generovat velmi rychlé a bohaté mikrostrukturní mapy. V poslední době se detektory CMOS používají také při konstrukci systémů EBSD. Nové systémy založené na CMOS umožňují indexování vzorů rychleji než předchůdci založené na CCD. Moderní detektory EBSD založené na CMOS jsou schopné indexovat vzory až do 3000 vzorků za sekundu.

Indexování

Prvním krokem v procesu EBSD po sběru vzorků je často indexování. To umožňuje identifikaci orientace krystalů na jediném objemu vzorku, odkud byl vzorek odebrán. U softwaru EBSD jsou pásy vzorů obvykle detekovány pomocí matematické rutiny s použitím upraveného Hough transformace, ve kterém každý pixel v prostoru Hough označuje jedinečnou linku / pásmo v EBSP. Houghova transformace se používá k umožnění detekce pásma, které je obtížné najít v počítači v původním EBSP. Jakmile byly detekovány polohy pásů, je možné uvést tyto polohy do souvislosti s orientací krystalu pod nimi, protože úhly mezi pásmy představují úhly mezi mřížkovými rovinami. Jsou-li tedy známy polohy / úhly mezi třemi pásmy, lze určit orientační řešení. Ve vysoce symetrických materiálech se obvykle používají k získání a ověření měření orientace více než tři pásma.

Většina komerčních softwarů EBSD provádí dvě hlavní metody indexování: hlasování tripletů; a minimalizace „přizpůsobení“ mezi experimentálním vzorem a výpočetně určenou orientací. Příručku osvědčených postupů pro spolehlivý sběr dat napsal autor Profesorka Valerie Randleová[5]

Hlasování tripletů zahrnuje identifikaci více „tripletů“ spojených s různými řešeními orientace krystalů; každá orientace krystalu určená z každé trojice obdrží jeden hlas. Pokud by čtyři pásy identifikovaly stejnou orientaci krystalu, pak bude pro dané řešení odevzdáno čtyři (čtyři zvolit tři) hlasy. Orientace kandidáta s nejvyšším počtem hlasů bude tedy nejpravděpodobnějším řešením současné orientace krystalu. Poměr hlasů pro zvolené řešení ve srovnání s celkovým počtem hlasů popisuje důvěru v základní řešení. Při interpretaci tohoto „indexu spolehlivosti“ je třeba postupovat opatrně, protože některé pseudosymetrické orientace mohou mít za následek nízkou spolehlivost u jednoho kandidátského řešení oproti druhému.

Minimalizace přizpůsobení zahrnuje začátek se všemi možnými orientacemi pro triplet. Zahrnuto je více pásem, což snižuje počet orientací kandidátů. Jak se počet pásem zvyšuje, počet možných orientací se nakonec sblíží do jednoho řešení. Lze určit „přizpůsobení“ mezi měřenou orientací a zachyceným vzorem.

Střed vzorku

Aby se vztahovala orientace krystalu, podobně jako v Rentgenová difrakce, musí být známa geometrie systému. Zejména střed vzoru, který popisuje jak vzdálenost interakčního objemu k detektoru, tak polohu nejbližšího bodu mezi fosforem a vzorkem na fosforové obrazovce. Rané dílo používalo jeden krystal známé orientace, který byl vložen do komory SEM, a bylo známo, že zvláštní rys EBSP odpovídá středu vzoru. Pozdější vývoj zahrnoval využití různých geometrických vztahů mezi generováním EBSP a geometrií komory (vrhání stínů a pohyb fosforu).

Bohužel každá z těchto metod je těžkopádná a může být náchylná k systematickým chybám běžného operátora. Typicky je nelze snadno použít v moderních SEM s více určenými použitími. Většina komerčních systémů EBSD tedy používá indexovací algoritmus kombinovaný s iterativním pohybem orientace krystalu a navrhovaného umístění středu vzoru. Minimalizace přizpůsobení mezi pásy umístěnými v experimentálních vzorech a těmi ve vyhledávacích tabulkách má sklon ke konvergenci v místě středu vzoru s přesností ~ 0,5–1% šířky vzoru.

Orientační mapování

Mapa v procesu získávání.
Kontaminace vzorku po mapování EBSD.

EBSD lze použít k nalezení krystalové orientace materiálu umístěného v objemu interakce dopadajícího elektronového paprsku. Skenování elektronového paprsku předepsaným způsobem (obvykle ve čtvercové nebo šestihranné mřížce, korekce zkrácení obrazu kvůli naklonění vzorku) tedy vede k mnoha bohatým mikrostrukturálním mapám.

Tyto mapy mohou prostorově popisovat orientaci krystalu vyšetřovaného materiálu a lze je použít ke zkoumání mikrotextury a morfologie vzorků. Některé z těchto map popisují orientaci zrna, hranici zrna, kvalitu difrakčního vzoru (obrazu). K měření průměru lze použít různé statistické nástroje nesprávná orientace, velikost zrna a krystalografická struktura. Z této datové sady lze generovat řadu map, grafů a grafů.

Z orientačních dat lze vyvodit velké množství informací, které pomáhají porozumět mikrostruktuře a historii zpracování vzorku. Nedávný vývoj zahrnuje porozumění: předchozí struktura rodičovských fází při zvýšené teplotě; skladování a zbytkové deformace po mechanických zkouškách; populace různých mikrostrukturálních prvků, včetně sraženin a hraničního charakteru zrn.

Integrované mapování EBSD / EDS

Když současně EDS / Sběru EBSD lze dosáhnout, lze zlepšit schopnosti obou technik. Existují aplikace, kde chemii vzorku nebo fázi nelze odlišit pouze pomocí EDS kvůli podobnému složení; a strukturu nelze vyřešit pouze pomocí EBSD kvůli nejednoznačným strukturním řešením. K dosažení integrovaného mapování je oblast analýzy naskenována a v každém bodě jsou uloženy Houghovy vrcholy a počty zájmových oblastí EDS. Pozice fází jsou stanoveny na rentgenových mapách a měřené intenzity EDS jsou uvedeny v grafech pro každý prvek. Pro každou fázi jsou nastaveny rozsahy chemické intenzity pro výběr zrn. Všechny vzory jsou poté znovu indexovány[kým? ] offline. Zaznamenaná chemie určuje, který soubor fáze / krystalové struktury se použije pro indexování každého bodu. Každý vzor je indexován pouze jednou fází a jsou generovány mapy zobrazující jasně rozlišené fáze. Objemy interakcí pro EDS a EBSD se výrazně liší (řádově) mikrometry ve srovnání s desítkami nanometry ) a tvar těchto objemů pomocí vysoce nakloněného vzorku může mít dopad na algoritmy fázové diskriminace.

EBSD při použití společně s dalšími technikami in-SEM, jako je katodoluminiscence (CL), vlnová délka disperzní rentgenová spektroskopie (WDS) a / nebo energeticky disperzní rentgenová spektroskopie (EDS) může poskytnout hlubší vhled do vlastností vzorku. Například minerály kalcit (vápenec ) a aragonit (skořápka ) mají stejné chemické složení - uhličitan vápenatý (CaCO3) proto je EDS / WDS nemohou odlišit, ale mají různé mikrokrystalické struktury, takže EBSD je může rozlišovat.

Viz také

Reference

  1. ^ Randle, Valerie; Engler, Olaf (2000). Úvod do analýzy textur: makrotextura, mikrotextura a mapování orientace (Digitální tisk 2003 ed.). Boca Raton: CRC Press. ISBN  978-9056992248.
  2. ^ Schwartz, A. J .; Kumar, M .; Adams, B.L .; Field, D. P. (2000). Difrakce elektronového zpětného rozptylu ve vědě o materiálech. New York: Kluwer Academic.
  3. ^ A b C Difrakce elektronového zpětného rozptylu ve vědě o materiálech (2. vyd.). Springer Science + Business Media. 2009. s.1. ISBN  978-0-387-88135-5.
  4. ^ Wright, Stuart I .; Matthew, M. Nowell; David, P. Field. (2011). "Přehled deformační analýzy pomocí difrakce zpětného rozptylu elektronů". Mikroskopie a mikroanalýza. 17. 17 (3): 316–329. Bibcode:2011MiMic..17..316W. doi:10.1017 / S1431927611000055. PMID  21418731.
  5. ^ Randle, Valerie (1. září 2009). „Difrakce zpětného rozptylu elektronů: Strategie pro spolehlivý sběr a zpracování dat“. Charakterizace materiálů. 60 (9): 913–922. doi:10.1016 / j.matchar.2009.05.011.